UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
Investigação da amostragem direta para determinação de
elementos traço em carne in natura e em petróleo usando
espectrometria de absorção atômica com forno de grafite
Isabel Cristina Ferreira Damin
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
INSTITUTO DE QUÍMICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA
Isabel Cristina Ferreira Damin
Investigação da amostragem direta para determinação
de elementos traço em carne in natura e em petróleo
usando espectrometria de absorção atômica com forno
de grafite
Dissertação apresentada como requisito parcial para a
obtenção do grau de Doutor em Química
Profa. Dra. Márcia Messias da Silva
Orientadora
Profa. Dra. Maria Goreti R. Vale
Co-orientadora
A minha querida mãe, Isabel, pelo seu amor, incentivo e apoio incondicional
em todos esses anos de estudos
A Deus pela força espiritual e pela vida... Dedico
A minha orientadora, Dra. Márcia, pela confiança, incentivo, amizade e grandiosa orientação A minha co-orientadora, Dra. Maria Goreti,
pelo incentivo e amizade
Agradeço a vocês, minhas mães científicas, por tudo que me ensinaram e por terem me aberto as portas para o enorme desejo de fazer pesquisa!
Sinceros agradecimentos
Ao meu amado filho Matheus e ao meu esposo Abraão pelo amor e compreensão. Ao meu pai, Ely, as minhas queridas irmãs Fabricia e Gisella, e ao meu amado sobrinho, Gustavo, pelo incentivo, amor e carinho.
Ao Dr. Bernhard Welz, pelas valiosas contribuições no desenvolvimento deste trabalho. A Annelise, Alessandro e Tamara pela dedicação e ajuda neste trabalho. E pela agradável convivência no laboratório.
Em especial aos meus amigos de laboratório, Emilene, Liane, Ariane, Nédio, Alex, Roger, Pedro, Álvaro, por tudo que vivemos, principalmente as alegrias.
A Morgana pela amizade e coleguismo durante todos esses anos de pesquisa, pelas longas conversas e risadas.
A Maria Aparecida, fiscal do Ministério da Agricultura do Brasil, pela oportunidade da realização de estágio, troca de experiências profissionais e amizade.
Ao CNPQ pela bolsa concedida.
À Central Analítica do Instituto de Química da UFRGS, em especial as Dras. Márcia M. da Silva e Maria Goreti R. Vale, pelo apoio e desenvolvimento do método no forno de grafite. Aos professores da Pós-graduação do Instituto de Química da UFRGS, em especial aos profs. Dra. Elina e Dr. João Henrique, pelo exemplo e amizade nesses anos de pesquisa. Ao Programa de Pós Graduação do Instituto de Química da UFRGS, pela oportunidade. A todos que de alguma forma contribuíram com este trabalho.
TRABALHOS GERADOS A PARTIR DOS RESULTADOS DESCRITOS NA TESE
ARTIGO SUBMETIDO REFERENTE AO TRABALHO
1.DAMIN, I. C. F.; MENEGAT, A.; BORGES, A. R.; SILVA, M. M.; VALE, M. G. R.; WELZ, B.
Determination of cadmium and lead in fresh meat by slurry sampling graphite furnace atomic absorption spectrometry. Journal of Food Composition and Analysis.
ARTIGOS PUBLICADOS REFERENTES AO TRABALHO
1.DAMIN, I. C. F.; DESSUY, M. B.; CASTILHOS, T. S.; SILVA, M. M.; VALE, M. G. R.; WELZ, B.; KATSKOV, D. A.
Comparison of direct sampling and emulsion analysis using a filter furnace for the determination of lead in crude oil by graphite furnace atomic absorption spectrometry.
Spectrochimica Acta. Part B, Atomic Spectroscopy, v.64, p.530 – 536, 2009.
2. DAMIN, I. C. F., SILVA, M. M., VALE, M. G. R., WELZ, B.
Feasibility of using direct determination of cadmium and lead in fresh meat by electrothermal atomic absorption spectrometry for screening purposes. Spectrochimica
Acta. Part B, Atomic Spectroscopy., v.62, p.1037 - 1045, 2007.
3. SILVA, M. M., DAMIN, I. C. F., VALE, M. G. R., WELZ, B.
Feasibility of using solid sampling graphite furnace atomic absorption spectrometry for speciation analysis of volatile and non-volatile compounds of nickel and vanadium in crude oil. Talanta (Oxford), v.71, p.1877 - 1885, 2007.
4. DAMIN, I. C. F., HAMMES, A. S., SILVA, M. M., VALE, M. G. R., WELZ, B.
Investigación del muestro directo de sólidos para la AAS, con horno de grafito, para determinar el plomo en la carne bovina in natura. LabCiencia con noticias técnicas del
TRABALHOS APRESENTADOS EM CONGRESSOS REFERENTES AO TRABALHO
1. MENEGAT, A., DAMIN, I. C. F., SILVA, M. M., VALE, M. G. R.; Análise de suspensões por GF AAS: Determinação de Cádmio em carne in natura; In: XX Salão de iniciação cientifica, 2008, Porto Alegre.
2. CASTILHOS, T. S., DAMIN, I. C. F., SILVA, M. M., VALE, M. G. R.; Análise direta por espectrometria de absorção atômica em forno de grafite: Determinação de chumbo em amostras de petróleo; In: XX Salão de iniciação, 2008, Porto Alegre.
3. DAMIN, I. C. F., DESSUY, M. B., CASTILHOS, T. S., SILVA, M. M., VALE, M. G. R., WELZ, B.; Comparison of the use of a filter furnace and direct solid sampling for lead determination in crude oil samples by ET AAS; In: Tenth Rio Symposium on Atomic Spectrometry, 2008, Salvador.
4. SILVA, M. M., DAMIN, I. C. F., MENEGAT, A., CASTILHOS, T. S., VALE, M. G. R., WELZ, B.; Determinação de cádmio em carne in natura usando amostragem de suspensões em ET AAS; In: 31a
Reunião Anual sociedade brasileira de química, 2008, Águas de Lindóia.
5. DAMIN, I. C. F., CASTILHOS, T. S., MENEGAT, A., SILVA, M. M., VALE, M. G. R., WELZ, B.; Amostragem direta em GF AAS: determinação de cádmio em carne in
natura; In: 30a Reunião Anual Sociedade Brasileira de química, 2007, Águas de Lindóia.
6. SILVA, M. M., DAMIN, I. C. F., CASTILHOS, T. S., VALE, M. G. R., WELZ, B.; Determinação de chumbo em petróleo usando amostragem direta por GF AAS; In: 14a
7. VALE, M. G. R., DAMIN, I. C. F., CASTILHOS, T. S., ASSIS, M. S., SILVA, M. M., WELZ, B.; Direct determination and validation of lead in fresh bovine meat using solid sampling GF AAS; In: Colloquium Analytische Atomispektroskopie 07, 2007, Konstanz.
8. DAMIN, I. C. F., SILVA, M. M., MENEGAT, A., VALE, M. G. R., WELZ, B.; Emprego de planejamento fatorial para a otimização de suspensões de carne in natura para determinação de chumbo por GF AAS; In: 14a
Encontro Nacional de Química Analítica, 2007, João Pessoa.
9. VALE, M. G. R., SILVA, M. M., DAMIN, I. C. F., HAMMES, A. S., WELZ, B.; Speciation analysis of volatile and non-volatile compounds of nickel and vanadium in crude oil using solid sampling GF AAS; In: Colloquium Analytische Atomispektroskopie 07, 2007, Konstanz.
10. HAMMES, A. S., DAMIN, I. C. F., SILVA, M. M.; Determinação de níquel e vanádio por amostragem direta de petróleo em espectrometria de absorção atômica; In: XVIII Salão de Iniciação Científica, 2006, Porto Alegre.
11. DAMIN, I. C. F., HAMMES, A. S., SILVA, M. M., VALE, M. G. R., WELZ, B. Investigation of using direct solid sampling GF AAS for lead determination in fresh bovine meat for screening purpose; In: Ninth Rio Symposium on Atomic Spectrometry, 2006, Barquisimeto.
12. VALE, M. G. R., DAMIN, I. C. F., SILVA, M. M., WELZ, B., SILVA, A. F., LEPRI, F. G., BORGES, D. L. G., HEITMANN, U.; Speciation analysis of volatile and non-volatile nickel and vanadium compounds in petroleum using high-resolution continuum-source graphite furnace atomic absorption spectrometry; In: ICAS, 2006, Moscow.
13. SEBEN, L. L., DAMIN, I. C. F., SILVA, M. M., VALE, M. G. R., WELZ, B.; Estabilização e determinação de compostos voláteis e não voláteis de níquel em análise direta por GF AAS; In: XIII Encontro de química da região sul, 2005, Florianópolis.
TRABALHOS PREMIADOS EM EVENTOS
Título do trabalho: Investigation of using direct solid sampling GF AAS for lead determination in fresh bovine meat for screening purpose.
Autores: DAMIN, I. C. F.; HAMMES, A. S.; SILVA, M. M.; VALE, M. G. R.; WELZ, Bernhard.
Este trabalho recebeu um dos três prêmios da LabCiencia na categoria de “Produtos Naturais”, durante o 9th Rio Symposium on Atomic Spectrometry, realizado em Barquisimeto, Venezuela, de 4 a 10 novembro de 2006. Como parte do prêmio o trabalho foi publicado na revista com o título: “Investigación del muestro directo de sólidos para la AAS, con horno de grafito, para determinar el plomo en la carne bovina in natura. LabCiencia con noticias técnicas del laboratorio, 15 (2007) 8-11.”
TRABALHO ORAL APRESENTADO EM CONGRESSO
Título do trabalho: Amostragem direta em GF AAS: determinação de cádmio em carne in
natura.
Autores: DAMIN, I. C. F.; CASTILHOS, T. S.; MENEGAT, A.; SILVA, M. M.; VALE, M. G. R.; WELZ, B.
Este trabalho foi apresentado oralmente na 30º Reunião Anual Sociedade Brasileira de química (SBQ), 2007, Águas de Lindóia.
SUMÁRIO
ÍNDICE DE FIGURAS... i
ÍNDICE DE TABELAS... iii
LISTA DE ABREVIATURAS... v
RESUMO... vii
ABSTRACT... viii
1- INTRODUÇÃO... 01
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA... 02
2.1- Análise direta de sólidos... 02
2.1.1- Atributos necessários a uma técnica para a análise direta de sólidos... 02
2.1.2- Técnicas utilizadas para análise direta de sólidos... 08
2.1.2.1- Análise por ativação com nêutrons... 08
2.1.2.2- Fluorescência de raios X... 10
2.1.2.3- Espectroscopia de emissão em plasma induzido por laser... 11
2.1.2.4- Espectrometria de emissão ótica com fonte de plasma indutivamente acoplado e Espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado... 11
2.1.2.4.1- Ablação por laser acoplado a ICP... 12
2.1.2.4.2- Vaporização eletrotérmica ... 13
2.1.2.5- Espectrometria de absorção atômica com forno de grafite... 14
2.1.2.5.1- Análise de suspensões por GF AAS... 15
2.1.2.5.2- Análise direta de sólidos por GF AAS... 16
2.1.2.5.3- Espectrometria de absorção atômica de alta resolução com fonte contínua... 18
2.1.2.5.4- Modificadores químicos... 19
2.2- Preparos de amostra utilizados para análise direta... 21
2.3- Determinação de elementos-traço em petróleo... 23
2.4- Determinação de elementos-traço em carne in natura... 31
3- OBJETIVOS... 36
4.1- Equipamentos... 38
4.1.1- Espectrômetro de absorção atômica... 38
4.1.2- Outros equipamentos... 39
4.2- Limpeza do material de preparo e armazenamento de soluções... 40
4.3- Reagentes e soluções... 40
4.3.1- Petróleo... 40
4.3.2- Carne... 41
4.4- Materiais de referência e amostras... 41
4.4.1- Petróleo... 41
4.4.2- Carne... 42
4.5. Procedimentos analíticos empregados... 42
4.5.1- Determinação de níquel e vanádio em amostras de petróleo por SS-GF AAS... 42
4.5.1.1- Amostragem direta de sólidos – SS... 42
4.5.1.2- Análise das emulsões de petróleo (oléo-em-água) usando THFA ou plataforma PIN... 43
4.5.1.3- Recuperação de chumbo em amostras de petróleo... 44
4.5.1.4- Digestão das amostras de petróleo... 45
4.5.1.5- Programa de aquecimento... 46
4.5.2- Determinação de cádmio e chumbo em carne in natura usando GF AAS... 47
4.5.2.1- Digestão das amostras de carne in natura... 47
4.5.2.2- Amostragem direta de sólidos - SS... 47
4.5.2.2.1- Amostras in natura ... 47
4.5.2.2.2- Amostras secas, CRM (s) e amostra liofilizada... 47
4.5.2.3- Suspensões de carne in natura em Hidróxido Tetrametilamônio (TMAH)... 48
4.5.2.4- Programa de aquecimento... 49
5- RESULTADOS E DISCUSSÃO... 51
5.1- Determinação de níquel e vanádio em amostras de petróleo por SS-GF AAS.... 51
5.1.1- Programa de aquecimento e modificadores... 51
5.1.2- Influência da massa de amostra... 56
5.1.3- Figuras de mérito... 60
5.2- Determinação de chumbo em amostras de petróleo por SS-GF AAS e GF
AAS com diferentes atomizadores (PIN e THFFA)... 67
5.2.1- Modificadores e programa de aquecimento... 67
5.2.1.1- Amostragem direta de sólidos (SS)... 67
5.2.1.2- Análise de emulsões usando THFA GF AAS... 71
5.2.2- Sinais de atomização... 72
5.2.3- Figuras de mérito... 73
5.2.4- Resultados analíticos... 76
5.2.5- Validação... 77
5.3- Determinação de cádmio e chumbo em carne in natura usando SS-GF AAS.... 78
5.3.1- Seleção do comprimento de onda... 78
5.3.2- Programa de aquecimento e modificadores... 79
5.5.3- Erros de amostragem e influência da massa... 83
5.3.4- Figuras de mérito... 85
5.3.5 Resultados analíticos... 86
5.4- Determinação de cádmio e chumbo em carne in natura em amostragem por suspensão usando GF AAS... 89
5.4.1- Otimização do preparo da suspensão... 90
5.4.2- Programa de aquecimento e modificador... 93
5.4.3- Figuras de mérito... 97
5.4.4- Erros de amostragem e influência da massa... 98
5.4.5- Resultados analíticos... 98
6- CONCLUSÃO... 101
INDICE DE FIGURAS
Figura 1 - Figura ilustrativa da influência da homogeneidade na determinação de um
analito... 04
Figura 2 - Sistemas para amostradores de sólidos... 17
Figura 3 - Curvas de temperatura de pirólise para níquel (2,6 ng) e amostra OB3 por GF AAS... 27
Figura 4 - Curvas de pirólise para níquel em amostra de petróleo e padrão por HR-CS AAS... 28
Figura 5 - Curvas de temperatura de pirólise para (a) níquel e (b) vanádio por GF AAS.. 29
Figura 6 - Sinais de absorvância para níquel em petróleo (OB3) em 13 ciclos consecutivos de atomização usando uma plataforma tratada com 400 µg Ir... 52
Figura 7 - Curvas de temperatura de pirólise para níquel. (a) 2ng de padrão; (b) amostra de petróleo (OB3)... 54
Figura 8- Curvas de temperatura de pirólise para vanádio... 55
Figura 9- Influência da massa de amostra na linearidade de resposta usando dois diferentes modos de utilizar o modificador... 59
Figura 10- Perfis de absorvância para níquel e vanádio... 62
Figura 11- Fluxograma usado na determinação de níquel e vanádio... 64
Figura 12- Influência da massa de amostra na linearidade de resposta usando dois modos diferentes de aplicar o modificador para chumbo em amostras de petróleo... 69
Figura 13- Curvas de temperatura de pirólise para chumbo usando SS-GF AAS... 70
Figura 14- Curvas de temperatura de pirólise para chumbo usando THFA GF AAS... 72
Figura 15- Perfis de absorvância para chumbo... 73
Figura 16- Curvas de temperatura de pirólise para chumbo em solução aquosa em músculo bovino (NIST SRM 8414)... 80
Figura 17- Curvas de temperatura de pirólise para cádmio na solução aquosa em fígado bovino.( NIST SRM 1577b)... 81
Figura 18- Perfis de absorvância para chumbo e cádmio... 82
Figura 19- Superfície de resposta da concentração de chumbo em função da massa de amostra (M) e volume de TMAH (V) para otimização do preparo da suspensão... 93
Figura 20- Curvas de temperatura de pirólise para chumbo (a) e cádmio (b) em solução aquosa e na amostra de carne in natura em suspensão (BL2) com Pd/Mg
como modificador químico... 95 Figura 21- Perfis de absorbância para chumbo (a, c, e) e cádmio (b, d, f) em padrão
aquoso: 1 ng Pb (a) e 0,05 ng Cd (b); CRM em suspensão (SRM1577) (c, d); amostra de carne in natura (BL2) em suspensão... 96
INDÍCE DE TABELAS
Tabela I - Origem e faixa concentração aproximada de elementos importantes em óleos crus e produtos do petróleo... 24 Tabela II - Parâmetros instrumentais para determinação de cádmio, chumbo, níquel e
vanádio... 38
Tabela III - Volumes usados nas diferentes técnicas 44
Tabela IV - Programa de aquecimento para a determinação de níquel e vanádio em amostras de petróleo, utilizando SS-GF AAS... 46 Tabela V- Programa de aquecimento para a determinação de chumbo em petróleo,
utilizando SS-GF AAS, THFA e PIN por GF AAS... 46 Tabela VI- Programa de aquecimento para a determinação de cádmio e chumbo em
amostras de carne por GF AAS usando análise direta (SS) a técnica de suspensão e a de digestão... 49 Tabela VII- Coeficientes da variação (CV) das medidas de níquel em amostras de
petróleo... 57 Tabela VIII- Figuras de mérito para determinação de níquel e vanádio em petróleo
usando emulsões, padrões aquosos e CRM para calibração, sem e com a adição de paládio como modificador químico... 61 Tabela IX- Resultados analíticos obtidos para níquel no CRM e em várias amostras de
petróleo com (Ni total) e sem (Ni estável) a adição de 20 μg Pd com Triton-X 100 como modificador; a fração volátil foi determinada por diferença... 65 Tabela X- Resultados analíticos obtidos para vanádio no CRM e em várias amostras
de petróleo com (V total) e sem (V estável) a adição de 20 μg Pd com Triton-X 100 como modificador; a fração volátil foi determinada por diferença... 66 Tabela XI- Equação de regressão linear e coeficiente de correlação (R) para
determinação de chumbo com diferentes atomizadores, usando emulsão e padrões aquosos por GF AAS... 74 Tabela XII- Figuras de mérito para a determinação de chumbo por GF AAS... 75 Tabela XIII- Resultados analíticos obtidos para chumbo em amostras de petróleo
Tabela XIV- Coeficientes de variação das medidas de cádmio e chumbo em amostras de carne usando diferentes modificadores; todas as misturas de modificadores contém Triton X-100... 84 Tabela XV- Figuras de mérito para a determinação chumbo e cádmio por GF AAS... 86 Tabela XVI- Determinação de chumbo e cádmio em materiais de referência de carne
usando SS-GF AAS e calibração versus padrões aquosos... 87 Tabela XVII- Resultados analíticos obtidos para chumbo em carne in natura, seca e
digerida usando diferentes modificadores... 88 Tabela XVIII- Resultados analíticos obtidos para cádmio em amostras de carne in natura,
seca e digerida... 88 Tabela XIX- Resultados obtidos de um planejamento fatorial de nível três aplicado para
determinação de chumbo em amostras de carne in natura em suspensão... 92 Tabela XX- Figuras de mérito para determinação de chumbo e cádmio por GF AAS... 97 Tabela XXI- Determinação de chumbo e cádmio em materiais de referência de carne em
suspensão com TMAH usando GF AAS e calibração versus padrões aquosos... 99 Tabela XXII- Resultados analíticos obtidos para chumbo e cádmio em amostras de carne
LISTA DE ABREVIATURAS
AA Absorção atômica.
ANOVA Análise de variância
BG Sinal de fundo (do inglês: “background”).
CRM Material de referência certificado (do inglês: “certified reference material”).
EPA Agência de proteção ambiental (do inglês: “Environmental Protection Agency”)
ETV Vaporização eletrotérmica (do inglês: “electrothermal vaporization”).
F AAS Espectrometria de absorção atômica com chama (do inglês: “Flame atomic absorption spectrometry”).
FMD Febre aftosa (do inglês: “foot and mouth disease”).
GDL Lâmpada de descarga incandescente (do inglês: “glow discharge lamp”).
GF AAS Espectrometria de absorção atômica com forno de grafite. (do inglês: “Graphite furnace atomic absorption spectrometry”). HR-CS AAS Espectrometria de absorção atômica de alta resolução com fonte
contínua (do inglês: “high-resolution continuum-source AAS”). ICP MS Espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (do
inglês: “Inductively coupled plasma mass spectrometry”).
ICP OES Espectrometria de emissão ótica com fonte de plasma indutivamente acoplado (do inglês: “Inductively coupled plasma optical emission spectrometry”).
LA ablação por laser (do inglês: “laser ablation”)
LASER Amplificação da luz por emissão estimulada de radiação (do inglês: “light amplification by stimulated emission of radiation”).
LD Limite de detecção.
LIBS Espectroscopia de emissão em plasma induzido por laser (do inglês: “laser induced breakdown spectroscopy”).
LQ Limite de quantificação.
NAA Análise por ativação neutrônica (do inglês: “Nêutron Activation Analysis”).
OIE Organização mundial de saúde animal (do inglês: “World Organisation for Animal Health”).
PIN Forno com plataforma PIN (é um tipo convencional de
plataforma).
RM Material de referência.
SS Análise direta de sólidos (do inglês: “solid sampling”).
Ta Temperatura de atomização.
THFA Forno com filtro (do inglês: “transversely heated filter atomizer”) TMAH Hidróxido tetrametilamônio (C4H12NOH).
Tp Temperatura de pirólise.
PNCR Plano nacional de controle de resíduos em produtos de origem animal.
RESUMO
Neste trabalho foram desenvolvidos diferentes métodos analíticos para serem aplicados rotineiramente na determinação direta de elementos de interesse em amostras de petróleo e de carne in natura, usando a espectrometria de absorção atômica com forno de grafite (GF AAS). Os métodos foram baseados na análise das amostras mediante introdução direta no forno de grafite (SS-GF AAS), sem nenhum tratamento prévio. Inicialmente foi investigada a possibilidade da determinação direta de níquel, vanádio e chumbo em amostras de petróleo. A fim de contornar as perdas de compostos voláteis, foi investigado o uso de diferentes modificadores químicos (convencional e permanente) e os resultados obtidos foram comparados com HR-CS AAS (espectrômetro de absorção atômica de alta resolução com fonte contínua). As análises de amostras de petróleo em emulsões usando um Forno com filtro (THFA) foram também investigadas para determinação de chumbo. Na segunda parte do trabalho foi investigada a determinação direta de chumbo e cádmio em amostras de carne in natura (amostrada diretamente ou sob a forma de suspensão). Todos os resultados foram satisfatórios para aplicação de rotina, e a comparação entre os resultados obtidos para os métodos propostos e os obtidos com os métodos tradicionais não apresentaram diferenças estatísticas significativas.
ABSTRACT
The goal of this work was to investigate different methods using graphite furnace atomic absorption spectrometry (GF AAS) for direct determination of elements of interest in petroleum and fresh meat to be applied as a rapid routine procedure. The methods were based on analysis of samples weighed directly onto solid sampling platforms and introduced into a transversely heated solid sampling graphite tube, without previous treatment. In the first moment it was investigated of the possibility of direct determination of nickel, vanadium and lead in petroleum. In order to avoid the problem of losses of volatile compounds different chemical modifiers (conventional and permanent) have been investigated and the results obtained were compared with those obtained by high-resolution continuum source graphite furnace atomic absorption spectrometry (HR-CS AAS) by emulsion technique. The analysis of petroleum samples in emulsions using a filter furnace (THFA) was also investigated for lead determination. In the second part of this work it was investigated a method for direct determination of lead and cadmium in fresh bovine meat (solid or slurry sampling). The overall result was very satisfactory for routine application, and the comparison with the conventional methods shows no significant statistical differences between the results.
1. INTRODUÇÃO
A maior parte dos métodos usados para determinação de elementos traço e ultratraço em amostras sólidas requer uma prévia digestão da amostra, que envolve tratamento com ácidos em frascos abertos ou fechados [1,2].
A fim de evitar estes procedimentos de digestão, vem sendo desenvolvidos métodos para determinação de metais analisando-se diretamente amostras sólidas por diferentes técnicas. Dentre as diversas técnicas destaca-se a análise direta de sólidos (SS) por espectrometria de absorção atômica com forno de grafite (GF AAS). No entanto, técnicas que envolvam a espectrometria de absorção atômica não são métodos absolutos e dependem de uma comparação com outros métodos de referência, ou com um conjunto de normas ou com materiais de referência certificados (CRM).
O uso da SS-GF AAS tem aumentado nos últimos anos, principalmente porque acessórios robustos e confiáveis para SS-GF AAS se tornaram disponíveis no mercado no final dos anos 90 do século passado [3]. As principais vantagens dessa técnica são limites de detecção extremamente baixos devido à ausência de diluição e o risco mínimo de contaminação, além da velocidade de análise devido a não necessidade de tratamento da amostra. Entre as limitações mencionadas em relação a SS-GF AAS estão às dificuldades de calibração e o uso de modificadores químicos. No entanto, em uma recente revisão sobre esse assunto [3] foi relatado que calibrações com padrões aquosos e modificadores químicos, incluindo modificadores permanentes, têm sido usados por muitos autores para vários tipos de amostras [4,5,6,7,8]. A maioria das amostras analisadas por SS-GF AAS estão na forma sólida e requerem alguns tratamentos prévios de modo a garantir uma boa precisão e exatidão dos resultados.
Apesar das características favoráveis e dos excelentes resultados para diversas matrizes, pode-se considerar que o número de aplicações da SS-GF AAS ainda é pequeno para amostras que não sofreram nenhum pré-tratamento [3]. Portanto, o desenvolvimento e otimização de métodos analíticos utilizando análise direta de materiais viscosos (como petróleo) e materiais com alto teor de água (carne in natura) por SS-GF AAS, apenas com uma homogeneização simples é algo inovador e de grande interesse analítico, sócio-econômico e ambiental.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. ANÁLISE DIRETA DE SÓLIDOS
Um dos principais objetivos da Química Analítica atual é a redução do tempo de análise e dos custos, mas também a busca por resultados confiáveis. No entanto, para a determinação de elementos essenciais e tóxicos em baixas concentrações, a maioria das técnicas analíticas utilizadas requer que a amostra esteja na forma de uma solução [9]. Usualmente, as amostras são convertidas em soluções aquosas por meio de procedimentos clássicos de dissolução como via seca para materiais orgânicos, fusão para materiais inorgânicos refratários, e dissolução ácida por via úmida em altas temperaturas para materiais orgânicos e inorgânicos [10]. Na maioria das vezes o pré-tratamento da amostra usando esses métodos demanda o uso de reagentes de alto grau de pureza e alto custo; também exige prática e experiência do analista [11].
A fim de minimizar esses problemas, vem sendo desenvolvidos métodos para determinação de metais analisando amostras sólidas diretamente. Para analisar diretamente amostras sólidas podem ser utilizados dois procedimentos distintos: análise direta ou via suspensão [12]. A suspensão consiste basicamente no preparo da amostra sólida finamente moída, homogeneizada em meio líquido.
2.1.1. Atributos necessários a uma técnica para a análise direta de sólidos
A escolha de uma técnica analítica adequada para a determinação de metais depende de vários fatores. Kurfurst [13] cita alguns fatores importantes que influenciam e devem ser levados em consideração na análise direta de sólidos:
a) A técnica deve ser aplicável a uma grande variedade de amostra
Nos últimos anos houve um grande desenvolvimento e interesse na determinação de elementos essenciais e tóxicos em diversas matrizes. Para que análise direta seja satisfatória em relação às técnicas tradicionais, esta deve ser aplicável a uma grande variedade de materiais.
b) A análise deve ser relativamente rápida
É evidente que os resultados obtidos para a análise direta são mais rápidos do que os obtidos com alguma forma de preparo de amostra, pois na análise direta apenas uma pequena etapa de pré-tratamento de amostra, geralmente homogeneização, é necessária para a obtenção de uma amostra teste adequada para a análise. Os resultados da análise podem levar minutos, se as informações sobre a concentração aproximada do analito forem disponíveis, desde a chegada da amostra ao laboratório. Esse tempo geralmente é muito curto em relação aos outros procedimentos clássicos de pré-tratamento de amostra como a dissolução por via seca ou úmida.
Avalia-se a velocidade analítica através da razão do número de amostras analisadas por hora, tendo a calibração já estabelecida, com isto pode-se determinar se a técnica é rápida. Para uma avaliação quantitativa comparativa em detalhes do tempo total da análise por diferentes métodos analíticos, deve-se levar em conta todas as etapas do método, desde o preparo de amostra, caso seja necessário, até a forma de introdução da amostra no equipamento.
c) Deve possibilitar a análise de massas relativamente elevadas de amostra para evitar problemas de não homogeneidade
A homogeneidade é um importante pré-requisito que deve ser considerado para a análise direta de sólidos. Esse parâmetro depende de fatores como a natureza do material, a densidade, a massa de amostra a ser utilizada e a concentração do elemento de interesse.
De acordo com o Guia ISO 35 [14], um material é perfeitamente homogêneo com relação a uma determinada característica, se ao comparar duas partes distintas do mesmo material, não houver diferença observável (característica da amostra) e nos parâmetros da medida (geralmente o desvio padrão).
Nomura et. al. [10] em uma recente revisão enfatizaram sobre os principais aspectos da homogeneidade na análise direta de sólidos. Em geral, massas de amostras de 100 a 500 mg são utilizadas para digestão ou solubilização. Nesses casos, a homogeneidade não é um fator limitante e não deve gerar erros associados à falta de homogeneidade da amostra, como pode ser observado na Figura 1a. Por outro lado, quando massas muito pequenas são usadas para a análise (0,01 a 1,00 mg) a micro homogeneidade torna-se um parâmetro critico. As diferentes porções de amostras usadas podem conter os elementos de interesse em diferentes
quantidades com apresentado na Figura 1b, ocasionando uma grande imprecisão entre as medidas e, desta forma, comprometendo os resultados analíticos. Quando se trabalha com massas pequenas é necessário estabelecer uma massa mínima para garantir a representatividade da amostra e da exatidão dos resultados.
A homogeneização é uma das etapas mais importantes e críticas do processo de produção de um material de referência certificado (CRM). Esses materiais são utilizados para verificar a exatidão e a precisão do método. Para isto é necessário que a homogeneidade seja bem definida. A maioria dos CRM (s) disponíveis no mercado apresentam homogeneidade garantida para massas de 100 a 500 mg. Portanto, isto é um problema, pois técnicas baseadas em micro-análise utilizam massas menores do que 10 mg. Para resolver este problema, alguns esforços estão sendo realizados no sentido de produzir materiais que sejam homogêneos para massas pequenas [10].
Figura 1 - Figura ilustrativa da influência da homogeneidade na determinação de um analito (): (a) grande massa de amostra e (b) pequena massa de amostra. Figura cedida por Nomura et .al. [10].
d) É desejável que seja multielementar
A utilização de técnicas para determinação multielementar de elementos essenciais e tóxicos tem se desenvolvido muito nos últimos anos devido ao aumento do número de análises e da variedade de matrizes analisadas. Devido a estes fatores as pesquisas estão sendo incentivadas no sentido de tornar possível a determinação multielementar seqüencial ou
simultânea de metais pela análise direta de sólidos com o objetivo de se ter uma maior redução no tempo de análise e dos custos. Mesmo havendo desafios a serem superados na determinação multielementar, esta alcançou avanços que mais uma vez a colocam em novos rumos a fim de suprir os anseios da química moderna.
e) Um ótimo branco analítico
Na Química Analítica, esforços contínuos estão sendo feitos para se obter melhores limites de detecção (LD), a fim de determinar as menores quantidades de analito que podem ser detectados pelos métodos. Em geral, o LD é obtido com base nas medidas do branco analítico e o ideal é que esse tenha concentrações do analito muito pequenas ou inexistentes.
Geralmente, o branco analítico na análise direta de sólidos pode ser obtido pela amostra ou algum material similar sem a presença do analito, pois a matriz pode gerar interferências que vão refletir nos resultados analíticos. O branco em amostras líquidas não é crítico. Nesse caso, um branco sintético composto pode ser preparado misturando solventes e elementos majoritários presentes na matriz.
Para a análise direta por GF AAS é comum o emprego da técnica “resposta de massa zero” para determinação do LD do equipamento. Essa técnica consiste em realizar dez medidas, introduzindo repetidamente a plataforma de amostragem sólida vazia no atomizador. Em alguns casos quando é necessário o uso de modificadores químicos, somente este é depositado na plataforma e após segue-se um ciclo regular de atomização.
f) A padronização deve ser simples
Para as diferentes técnicas analíticas a calibração é uma etapa de preocupação, pois o analista tem como obrigação o dever de encontrar um material e método de calibração adequado á técnica. Também, cabe chamar a atenção que esta etapa torna-se muito importante na análise direta de sólidos devido a forte influência da matriz.
Essas técnicas que dispensam o preparo de amostra são muito úteis para os laboratórios de controle de qualidade de produtos industriais, nos quais a rapidez é essencial para o controle do processo. Nestes casos, os elementos determinados são conhecidos, bem como a faixa de concentração esperada, sendo possível o de desenvolvimento de padrões de calibração sólidos, agilizando a resposta analítica, por dispensar a etapa de dissolução da
amostra. Para laboratórios de pesquisa e desenvolvimento, que recebem diversos tipos de amostras e onde são determinados diferentes íons metálicos, técnicas que não dependam de padrões de calibração sólidos, são preferidas.
O emprego de solução aquosa na calibração é mais simples, apresenta baixo custo e as soluções não apresentam problemas de homogeneidade. Porém, o seu emprego em técnicas de análise direta de sólidos nem sempre é possível. Para resolver este problema os CRM (s) são empregados, mas a sua composição deve ser idêntica ou mais próxima possível do material que está sendo analisado para minimizar interferências. Para construir a curva analítica utilizando um CRM, pode-se preparar de duas maneiras: pesam-se massas crescentes de um CRM ou massas iguais de vários CRM (s) de um mesmo tipo de material com diferentes concentrações do analito; esta última é também conhecida como curva de correlação. As curvas analíticas com a adição de analito também podem ser construídas com misturas de quantidades conhecidas do analito com a amostra. Com este método de calibração é possível avaliar se o analito presente na amostra é afetado pela matriz [13].
Embora o CRM seja o ideal para calibração, para análise direta de sólidos, existem algumas limitações que devem ser consideradas: muitos materiais não são certificados para alguns elementos de interesse; o custo é alto; é difícil encontrar um CRM com composição semelhante a diversos tipos de amostras e a maioria dos CRM (s) disponíveis no mercado apresentam homogeneidade garantida somente para massas relativamente grandes [10]. Para diminuir essa falta de homogeneidade, uma moagem adicional ou o uso de novas técnicas de moagem (ex. por criogenia) torna-se necessária, mesmo que aumente o risco de perdas do analito, contaminação ou o tempo de análise [15]. Além disso, deve-se levar em consideração nos resultados das análises os erros que estão embutidos devido à incerteza da concentração do analito no CRM.
g) O custo da análise deve ser o mais baixo possível
A fim de comparar métodos de análise, do ponto de vista econômico, o custo da análise deve ser considerado de grande importância. Uma análise completa e econômica é uma tarefa importante, quando se compara a análise direta de sólidos com as técnicas tradicionais, onde o preparo de amostra é um trabalho exaustivo requerendo muita mão de obra, além de precisar de mais equipamentos, reagentes e instrumentação o que requer maior espaço no laboratório. Para a maioria das técnicas de análise direta, o espaço necessário em
laboratório é menor, pois necessita de menos equipamentos para o preparo da amostra, resultando em um menor investimento.
h) Boa exatidão e precisão
De acordo com as orientações sobre validação de métodos de ensaios químicos do Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (INMETRO) [16]:
A exatidão do método é definida como sendo a concordância entre o resultado de um ensaio e o valor de referência aceito como convencionalmente verdadeiro. A exatidão, quando aplicada a uma série de resultados de ensaio, implica numa combinação de componentes de erros aleatórios e sistemáticos (tendência). Os processos normalmente utilizados para avaliar a exatidão de um método são, entre outros: uso de CRM, participação em comparações inter-laboratoriais e realização de ensaios de recuperação.
Sempre que possível, os CRM (s) devem ser utilizados no processo de validação de um método de ensaio. Um CRM possui um valor de concentração, ou outra grandeza, para cada parâmetro e uma incerteza associada. A produção de um CRM cabe tecnicamente a um órgão competente (organização ou empresa, publica ou privada) que produza certificados de referência em conformidade com os princípios gerais e estatísticos detalhados nas normas ISO 31 e 35 [17]. Algumas instituições conhecidas que vendem os CRM (s) são NIST (“National Institute of Standards and Technology”), IRMM (“Institute for Reference Materials and Measurements”), BAM (“Bundesanstalt fuer Materialpruefung”), IAEA (“International Atomic Energy Agency”), IPT (Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo), etc.
O uso correto dos CRM (s) consiste na sua análise para avaliar o desempenho do laboratório ou método. Quando o valor obtido não estiver dentro do intervalo da região de aceitação para o valor certificado, o laboratório deve procurar as causas desse desvio e procurar eliminá-las [16].
A precisão é um termo geral para avaliar a dispersão de resultados entre ensaios independentes, repetidos para uma mesma amostra, amostras semelhantes ou padrões em condições definidas. É normalmente determinada para circunstâncias especificas de medição e as duas formas mais comuns de expressá-la são por meio da repetitividade e da reprodutibilidade, sendo usualmente expressas pelo desvio padrão ou coeficiente de variação [16]. Ambas, repetitividade e reprodutibilidade são geralmente dependentes da concentração
do analito e, deste modo, devem ser determinadas para diferentes concentrações e, em casos relevantes, a relação entre a precisão e a concentração do analito deve ser estabelecida.
No caso do uso da analise direta de sólidos a precisão pode ser menor devido à natureza da amostra, que muitas vezes pode ser complexa contendo compostos voláteis que podem interferir na pesagem. No entanto, valores maiores de imprecisão são aceitos, pois outros erros são evitados devido à redução de etapas no preparo da amostra. É melhor um resultado impreciso, mas exato do que um resultado preciso, porém inexato devido a possíveis erros ocorridos durante a preparação da amostra.
2.1.2. Técnicas utilizadas para análise direta de sólidos
Embora cresça o desenvolvimento e as aplicações de técnicas para a análise direta de sólidos, a escolha deve ser feita com cuidado, levando-se em consideração os fatores citados anteriormente.
Algumas técnicas mais tradicionais vêm sendo utilizadas ao longo dos anos para a análise de sólidos, tais como a análise por ativação neutrônica instrumental (INAA) e a espectrometria de fluorescência de raios-X (XRF). Uma recente técnica que foi desenvolvida para a análise direta de sólidos é a espectroscopia de emissão em plasma induzido por laser (LIBS). Além dessas, outras técnicas que são usadas tradicionalmente para análise de líquidos, como GF AAS, ICP OES e ICP-MS têm sido investigadas para análise de sólidos e/ou suspensões, principalmente utilizando acessórios acoplados que permitem introdução da amostra sólida. Segue abaixo uma descrição sintetizada das principais técnicas que vem sendo utilizadas.
2.1.2.1. Análise por ativação com nêutrons
A INAA é amplamente conhecida por sua boa sensibilidade na faixa de mg L-1 a %) para detecção e por permitir a determinação multielementar de um grande número de elementos químicos (aproximadamente 12 elementos) [18]. Esse método de análise é não destrutivo, onde um nêutron interage via uma colisão inelástica, com o núcleo de um dado elemento e forma um núcleo composto excitado. O núcleo composto quase que instantaneamente decai para uma configuração mais estável, através da emissão de um ou mais raios gama característicos. Em muitos casos esta nova configuração poderá gerar um núcleo radiativo que irá decair lentamente com a emissão de um ou mais raios gama
característicos em um tempo especifico para a meia vida de cada núcleo radiativo formado. O tempo de decaimento ou emissão pode levar, dependendo do elemento irradiado, de frações de segundos a anos.
A INAA apresenta algumas vantagens em relação aos métodos convencionais de análise por eliminar o ataque químico às amostras, inexistência de efeitos de interferência de matriz, necessidade de pequena quantidade de amostra, além de apresentar uma boa precisão e exatidão. A INAA é geralmente utilizada como método de referência quando são desenvolvidos novos procedimentos, e é uma técnica que o “National Institute of Standards and Technology”, NIST, utiliza para certificar a concentração de elementos em CRM (s) [19].
A principal limitação desta técnica é o custo e produção de resíduos radiativo, pois é necessária uma fonte de nêutrons oriunda de um reator nuclear. Para isto são necessárias instalações especiais, manipulação de materiais radiativos e mão de obra altamente especializada. Além destas limitações o método não possibilita a obtenção de resultados imediatos, podendo necessitar, em média de 2 a 4 semanas e também não consegue determinar elementos como Cd, Pb, Cu e Ni em baixas concentrações [18, 19].
O preparo da amostra é quase que sem manipulação (envolve a formação de uma pastilha). Contudo, é necessário que a amostra seja similar aos padrões e uma alternativa para solucionar este problema é a deposição de SiO2 de alta pureza sobre a matriz. Deve-se tomar o
cuidado para que o tamanho da amostra e dos padrões seja semelhante para que não ocorra a autoabsorção de nêutrons. Também é necessário utilizar frascos de polietileno, pois a amostra é exposta a um elevado fluxo termal.
Seo et. al. [20] propuseram uma forma interessante de preparar padrões sintéticos (Br, Cl, K, Mg, Mn e Na) para a calibração. Pipetaram 50 μL das soluções diluídas, preparadas a partir de solução padrão, sobre tiras de papel de filtro (WHATMAN nº 40). As tiras do papel foram colocadas em dessecador para secagem a temperatura ambiente. Após, foram dobradas e colocadas em invólucros de polietileno, os quais foram selados com ferro elétrico para soldar para posterior análise. As amostras de mexilhões foram limpas, trituradas, homogeneizadas, secas por meio de liofilização, moídas e peneiradas para posterior pesagem (~180 mg) em invólucros de polietileno. Amostras e o CRM foram irradiados em reator nuclear (IEA-R1) juntamente com os padrões sintéticos. Erros relativos de 20,6% foram obtidos para Mg e para os demais elementos foram menores do que 13,6%.
A INAA vem sendo utilizada em diversas aplicações como verificar a autenticidade de obras de arte, impurezas em semicondutores, rochas, matrizes biológicas, entre outras.
2.1.2.2. Fluorescência de raios X
A Fluorescência de raios X (XRF) teve inicio no campo da Química Analítica por volta de 1940, quando o primeiro equipamento de XRF tornou-se comercialmente viável. O fenômeno da fluorescência de raios X representa uma pequena parte do complexo processo de interação de partículas ou fótons com a matéria, que induz emissões secundárias (partículas ou fótons), as quais são os princípios de diferentes técnicas analíticas.
Dentro da XRF outras variantes podem ser utilizadas, como a fluorescência de raios X baseada na dispersão de comprimento de onda (WD-XRF), que surgiu com excelente vantagem em relação a análise seqüencial. Atualmente, no mercado, cerca de 20% dos equipamentos fazem análise simultânea. No entanto, a principal desvantagem é o custo bastante elevado. A XRF baseada na dispersão de energia (ED-XRF) possui algumas vantagens em relação à WD-XRF, por permitir a análise simultânea; nesse caso o equipamento possui um custo mais baixo. É uma técnica analítica não destrutiva e pode ser aplicada em diversas amostras no estado sólido ou líquido [21,22].
Recentemente, surgiu a micro-fluorescência de raios X (μ-XRF), tendo como grande vantagem a possibilidade de analisar elementos traço e a sua distribuição superficial na amostra. Para esta técnica as amostras são preparadas na forma de pastilha e devem ser o mais plana possível. A μ-XRF, por ser uma técnica muito recente, no momento apresenta a restrição de existir um único equipamento na América do Sul, no Laboratório Nacional de Luz Sincroton (LNLS) [23, 24,25].
A maioria dos materiais analisados por XRF apresentam composição química complexa. Teoricamente, a intensidade dos raios X característicos emitidos por um elemento é proporcional ao número de átomos ionizados desse elemento químico. Portanto, as intensidades medidas em fluorescência de raios-X geralmente são proporcionais às concentrações do analito na amostra. Experimentalmente, verifica-se em muitos casos, que a intensidade dos raios X característicos é significativamente afetada pela matriz. Os efeitos da matriz podem ocasionar desvios positivos ou negativos em relação à resposta ideal, resultando em reforço ou absorção da intensidade da linha espectral. Esses efeitos são ditos inter-elementares e dependem das frações de massa dos elementos na amostra e da relação entre
seus coeficientes de absorção para radiação primária e secundária. Para resolver esses problemas na análise quantitativa por XRF, vários estudos têm sido realizados envolvendo correções de efeitos de matriz [22].
Nas técnicas de XRF, a introdução da amostra sólida requer um mínimo tratamento, essa deve estar na forma de pó para ser prensada. As amostras metalúrgicas sofrem um polimento (um corpo de prova é retirado) e as amostras em pó são prensadas, prensadas com aglomerante ou fundidas (pastilha prensada ou moldada por fusão).
2.1.2.3. Espectroscopia de emissão em plasma induzido por laser
A LIBS tem como principal característica o uso de pulsos de laser como fonte de energia para vaporizar e excitar a amostra com posterior emissão de radiação eletromagnética, a partir de seus elementos e/ou fragmentos moleculares. A radiação emitida é analisada por meio de instrumentos ópticos de alta resolução e as suas intensidades são medidas, usualmente com detectores de estado sólido. Em conjunto, esses dispositivos permitem a geração e a medida de um espectro de emissão de faixa ampla [26].
Em uma recente revisão Pasquini et. al. [26] abordam os principais aspectos da técnica: instrumental, vantagens, desvantagens, aplicações etc. Esta técnica tem como principais vantagens o fato do sistema ser relativamente simples e barato, possibilitando a minimização de tratamento de amostra, e ser quase que não destrutiva, ter boa velocidade de análise e ser tanto qualitativa quanto quantitativa. Além destas vantagens, o grande atrativo desta técnica é que ela permite o deslocamento do sistema para trabalho de campo e como alternativa pode ainda ser hifenada a outras técnicas. A técnica apresenta algumas limitações, como os LD (s) (na faixa de μg g-1) e a precisão, que são maiores, ou seja, piores do que os obtidos com as técnicas de GF AAS e ICP OES (espectrometria de emissão ótica com fonte de plasma indutivamente acoplado). Além disso, a calibração deve ser realizada utilizando materiais sólidos [26].
2.1.2.4. Espectrometria de emissão óptica com fonte de plasma indutivamente acoplado e espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado
As técnicas de espectrometria de emissão óptica com fonte de plasma indutivamente acoplado e espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP OES e ICP-MS) são excelentes fontes de vaporização, atomização, ionização e excitação de espécies.
Na técnica de ICP OES, a excitação de elementos é dada em um plasma de argônio. A energia do plasma é usada para converter os átomos e as moléculas a um estado excitado. As espécies excitadas retornam ao estado fundamental, emitindo fótons que são medidos por um sistema de detecção. A ICP OES apresenta uma excelente vantagem que é a sua capacidade multielementar. Contudo, a ocorrência de coincidência de linhas de emissão limita essa capacidade. Outro fator limitante é que os limites de detecção da técnica são maiores em relação ao GF AAS, diferentemente da técnica de ICP-MS que possuem ótimos limites de detecção, capacidade multielementar, podendo determinar elementos em nível de ultratraços e a possibilidade de análises isotópicas. Uma limitação da técnica é a ocorrência de severos processos de interferências matriciais, que exige criteriosa seleção das condições de calibração, diluição da solução da amostra e/ou separação da matriz.
Para a amostragem de suspensões por nebulização pneumática, o tratamento da amostra pode consistir em uma ou mais etapas de moagem. Contudo, devido à pequena massa de amostra utilizada nesses métodos, geralmente entre 10 e 500 μg, é fundamental que o material moído apresente distribuição homogênea de tamanho de partículas. Essa condição pode ser crítica, principalmente na análise de suspensões em ICP-OES, na qual o tamanho de partículas requerido é, freqüentemente, menor que 10 μm [27]. As suspensões podem ser introduzidas no ICP com o uso de um nebulizador tipo Babington [28]. Neste caso, o maior inconveniente são as interferências físicas. Além disso, espectros de emissão obtidos por fontes de plasma, arco e centelha são na maioria das vezes, muito complexos, sendo constituídos de centenas ou às vezes de milhares de linhas. Essa abundância de linhas, embora vantajosa quando se deseja informação qualitativa, aumenta a probabilidade de interferências espectrais na análise quantitativa
Diferentes sistemas têm sido propostos para analisar diretamente amostras sólidas, acoplados as técnicas de ICP, tais como a vaporização eletro térmica (ETV) e a ablação, seja por arco e centelha, lâmpada de descarga incandescente (GDL), ou laser (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação). No entanto, os métodos usando a ablação vêm sendo utilizados com sucesso em aplicações bem específicas [29,30].
2.1.2.4.1. Ablação por laser acoplada a ICP
O uso da ablação por laser (LA), combinada a espectrometria de emissão ótica com plasma indutivamente acoplado (LA-ICP OES) e espectrometria de massa com plasma
indutivamente acoplado (LA-ICP-MS) tem aumentado nos últimos anos. Em uma recente revisão, Russo et. al. [31] abordam os principais aspectos da técnica de LA-ICP como as interações entre o laser e a amostra, vantagens, desvantagens e aplicações. A técnica tem como vantagens o uso de menor massa de amostra (na faixa de μg), menor manipulação da amostra, menor tempo de preparo da amostra e a possibilidade de empregos de amostras condutoras e não condutoras. Algumas limitações são observadas como as dificuldades encontradas quando se trabalha com amostras heterogêneas, pois é necessária uma boa homogeneidade da amostra e do estado da superfície da amostra sólida. Além disso, também é necessário um rigoroso controle no tamanho das partículas, apresenta baixa reprodutibilidade, dificuldades na calibração e relativo alto custo
Nos casos de equipamentos com amostradores à base de ablação por laser a amostra precisa ser lixada e às vezes lavada, pois o material é retirado progressivamente e superficialmente por evaporação, fusão, sublimação, erosão, sputtering e explosão [32]. No entanto, a principal dificuldade da técnica é obter padrões que tenham exatamente a mesma composição da amostra, para que não ocorram diferenças no transporte do aerossol (por exemplo, no percurso entre a câmara de ablação e o ICP) ou mesmo por causar diferença na ablação [32].
2.1.2.4.2. Vaporização eletrotérmica
A vaporização eletrotérmica (ETV) é um método de introdução de amostra que por meio de aquecimento, converte micro-quantidades de amostras liquidas ou sólidas em suspensão, em aerossóis secos para serem transportadas até um detector apropriado. Normalmente os detectores empregados envolvem ICP OES e ICP-MS [33].
As principais vantagens da ETV, em relação às técnicas que usam nebubilizadores pneumáticos, são os melhores LD (s), elevada eficiência no transporte (20-80%) a qual em geral é menor do que 2% com nebulizadores pneumáticos, possibilitando o emprego de massas menores de amostra e do uso de padrão aquoso para a calibração. Além disso, possui um programa de aquecimento que possibilita a remoção da matriz e minimiza problemas de interferências. Uma das dificuldades da técnica é que pode ocorrer supressão causada pelo aumento da quantidade de compostos que atingem o plasma. O uso de ETV em relação a análise sem o ETV por ICP-MS tem uma grande desvantagem, pois trata-se de uma técnica
cara e ocorre uma redução considerável do número de elementos a ser determinado, devido as diferentes características térmicas [33,34,35].
Por outro lado, a análise de suspensões usando atomizadores ou vaporizadores eletrotérmicos é mais tolerante ao tamanho de partículas. Nesse caso, usualmente recomendam-se partículas menores que 100 μm [36,37,38,39], mas suspensões com partículas de até 500 μm, em algumas situações, podem ser aceitáveis [40,41].
2.1.2.5. Espectrometria de absorção atômica com forno de grafite
O princípio fundamental da espectrometria de absorção atômica (AAS) envolve a medida da absorção da intensidade da radiação eletromagnética, proveniente de uma fonte de radiação primária, por átomos gasosos no estado fundamental. Os dois tipos de atomizadores mais usados em AAS são a chama (F AAS) e o forno de grafite (aquecimento eletro térmico). A F AAS é mais usada para determinação de elementos em altas concentrações (na ordem de mgL-1 ou %), enquanto que a GF AAS é utilizada para determinações de elementos na faixa
de traço (μgL-1).
A GFAAS é uma técnica bastante empregada para a determinação de baixas concentrações de metais em diversos tipos de amostras, pois apresenta alta sensibilidade e seletividade, requerendo pequeno volume de amostra (< 100 L) além da possibilidade de automação e de análise direta da amostra sólida, ou na forma de suspensões [42]. Essa técnica quando utilizada corretamente, apresenta baixo custo operacional. Além disso, apresenta uma importante vantagem em relação às outras técnicas analíticas como F AAS e ICP OES, pois o tempo de residência da amostra na etapa de pré-tratamento químico e térmico é maior, os quais podem ser realizados durante uma ou mais etapas do programa de aquecimento do forno [12]. Isto torna a técnica menos sujeita aos efeitos do tamanho e da volatilidade das partículas [43]. A forma de introdução da amostra sólidas em suspensão no atomizador é mais facilitada nesta técnica, necessitando apenas de um sistema simples para a introdução da amostra.
O uso dessa técnica foi fortalecido pela introdução do conceito STPF (Stabilized
Temperature Platform Furnace) por Slavin que, se seguido, leva ao sucesso da análise [42]. O
conceito STPF consiste, fundamentalmente em:
1. Atomização do analito a partir de uma plataforma de L’Vov; 2. Alta velocidade de aquecimento na etapa de atomização;
3. Interrupção do gás interno durante a atomização;
4. Uso de absorvância integrada nas medidas dos sinais analíticos; 5. Emprego de modificadores químicos.
Este conceito tem sido muito aplicado, com resultados excelentes para a maioria das matrizes investigadas, permitindo a análise direta de sólidos com alta exatidão.
2.1.2.5.1. Análise de suspensões por GF AAS
Duas revisões resumem a literatura existente sobre amostragem de suspensão na análise de materiais sólidos por GF AAS: Cal-Pietro et. al. [12], entre 1990 e 2000, e uma critica revisão de Vale et. al. [3], entre 1995 e 2005. Assim, apenas os aspectos mais importantes e desenvolvimentos recentes relacionados ao assunto deste trabalho foram considerados nesta revisão.
Ao se introduzir no atomizador a amostra na forma de suspensão, alguns problemas associados à amostragem direta de sólidos em GF AAS são evitados, devido a uma maior quantidade de amostra ser utilizada no preparo da suspensão. Conseqüentemente, reduzem-se as chances de erros devido à possibilidade da distribuição não-homogênea do analito no material sólido, erros associados à pesagem e operação de transferência da amostra. Outras vantagens comparadas à digestão ácida citadas na literatura são: aumento da sensibilidade analítica, decréscimo no tempo de analise e redução de custos [11]. Também pode-se citar a mesma e importante vantagem que foi anteriormente discutida na técnica de análise direta de sólidos: a curva analítica pode ser obtida, na maioria dos casos, com o emprego de padrões aquosos [3,12].
A análise de suspensões também apresenta algumas dificuldades; uma delas diz respeito ao cuidado que se deve ter com a moagem e peneiramento do material devido ao risco de contaminação, pois existe a necessidade de que as partículas sólidas sejam muito pequenas e estejam distribuídas homogeneamente na suspensão no momento da amostragem. Esses cuidados são necessários para que se tenha uma boa precisão e exatidão da análise [11]. Para que a amostra fique bem distribuída no líquido, é necessária uma agitação mecânica ou manual. Análise de amostra na forma de suspensão tem sido relatado com sucesso para vários materiais [3,11].
2.1.2.5.2. Análise direta de sólidos por GF AAS
O uso da SS-GF AAS tem aumentado nos últimos anos, principalmente porque acessórios robustos e confiáveis para essa técnica se tornaram disponíveis no mercado no final da década de 90 [3]. Essa técnica tem como principais vantagens: limites de detecção (LD) extremamente baixos devido à ausência de diluição e risco mínimo de contaminação, aumento da velocidade de análise pelo método não requerer decomposição da amostra [13]. A manipulação reduzida de amostra faz da SS-GF AAS uma técnica bastante atraente para uma análise rápida de screening de um grupo de elementos e aplicações de rotina [3]. Entre as limitações estão: as dificuldades de calibração, a não-homogeneidade da amostra, a não representatividade devido às pequenas massas de amostras analisadas, uso de modificadores químicos, diluições são difíceis e a necessidade de uma balança de alta precisão (0,0001 mg). No entanto, em uma recente revisão sobre esse assunto [3] foi relatado que curvas analíticas com padrões aquosos e emprego de modificadores químicos, incluindo modificadores permanentes, têm sido usados por muitos autores para vários tipos de amostras [4,5,6,7,8].
As dificuldades anteriormente citadas em relação as amostras com altas concentrações dos elementos determinados tem sido solucionadas, recentemente, com duas possibilidades de diluições. Uma delas é a utilização de uma linha analítica de menor sensibilidade e a outra é o uso de um fluxo de gás inerte durante a etapa de atomização. Nesta etapa, comumente utiliza-se o fluxo de gás interrompido. É obvio que a alta utiliza-sensibilidade da técnica pode também causar problemas no caso do uso de amostras com altas concentrações do analito e a precisão pode ser significantemente prejudicada devido à falta de homogeneidade, se forem analisadas alíquotas muito pequenas de amostras. Alguns trabalhos de nosso grupo reportam e discutem esse assunto, a seguir.
Silva et. al. [44] utilizaram para determinação de ferro em plantas de arroz o comprimento de onda 302 nm, de menor intensidade (27%) em comparação com a linha mais intensa, pois nos estudos realizados inicialmente verificaram que a concentração de ferro era muito alta nas amostras de plantas. Portanto, utilizando esta ferramenta foi possível analisar amostras com concentrações elevadas do analito em uma técnica com alta sensibilidade.
Vale et. al. [4] reportaram o uso de uma linha de cobre menos sensível, a de 216,5 nm (aproximadamente 5-10 vezes menos sensível, comparada a linha principal, de 324,75 nm), para a determinação do elemento em carvão por SS-GF AAS. No entanto, quando materiais de referência certificados de carvão foram utilizados foi observado, uma intensa interferência espectral nesta linha, a qual não pode ser eliminada pelo sistema de corretor de fundo
(lâmpada de deutério) do equipamento. Para resolver este problema, a alternativa foi utilizar uma outra linha intermediária (327,4 nm), cuja intensidade é cerca de três vezes menor do que a linha primária. Contudo, devido a alta sensibilidade da técnica foram necessárias introduções de massas pequenas de amostra (0,1-0,3 mg) no atomizador, o que resultou em uma alta imprecisão dos resultados obtidos para cobre.
Oleszczuk et. al. [15] aplicaram as duas possibilidades de diluição, para determinação de manganês em amostras de café. Para isso, utilizaram uma linha analítica de menor sensibilidade associada ao uso de um fluxo mínimo de gás inerte (0,1 L min-1) durante a etapa de atomização, quando ocorre a medida do sinal analítico. Os resultados revelaram a possibilidade de analisar amostras com altas concentrações de manganês em amostras de café por SS-GF AAS.
Para a introdução de amostras sólidas no atomizador, hoje, encontra-se comercialmente disponível um modelo de GF AAS da AnalytikJena, que opera de modo convencional, com amostrador para líquidos ou com amostrador para sólidos. Existem dois sistemas de amostragem, como pode ser observado na Figura 2, um com operação manual, simples e mais barato, e outro com operações totalmente automatizadas.
Figura 2 – Sistemas para amostragem de sólidos: (a) manual e (b) automático. Fonte: manual da AnalytikJena.
2.1.2.5.3. Espectrometria de absorção atômica de alta resolução com fonte contínua A espectrometria de absorção atômica de alta resolução com fonte contínua (HR-CS AAS) é uma técnica que está recentemente disponível comercialmente e oferece várias vantagens sobre a GF AAS convencional com fonte de linha [45,46,47].
Existem pelo menos duas diferenças distintas entre HR-CS AAS e GF AAS. A primeira é o uso de apenas uma lâmpada ao invés de uma lâmpada de cátodo oco ou de descarga sem eletrodo, que emite radiação especifica para cada elemento. A lâmpada utilizada é de arco curto de xenônio de alta pressão (15 bar, quando fria), que opera em modo hot spot cuja emissão compreende a faixa contínua entre 190 e 850 nm, do espectro eletromagnético. Essa lâmpada é operada a uma potência de 300 W e a intensidade de emissão, dessa forma, excede a de uma lâmpada de cátodo oco em pelo menos 1 a 3 ordens de magnitude. A segunda diferença é o poder de alta resolução espectral do sistema óptico utilizado, onde todo o ambiente espectral da linha analítica de aproximadamente 0,2 nm, torna-se visível devido ao uso de um detector CCD (detector de arranjo de carga acoplada). De fato ao invés de um detector são 200 detectores usados para visualizar a área próxima da linha analítica. Portanto, torna-se muito fácil detectar alguma interferência espectral devido aos componentes da matriz. A alta resolução e o uso de uma única fonte de radiação fazem da HR-CS AAS uma excelente ferramenta para desenvolvimento de métodos analíticos, permitindo resolver ou buscar alternativas aos problemas inerentes à GF AAS com fonte de linha. Além disso, esta técnica permite a análise direta de sólidos e líquidos.
A capacidade de uma exata correção, até mesmo para absorções de fundo bastante elevadas, torna possível o uso de temperaturas de pirólises muito baixas para descobrir perdas de compostos de alta volatilidade, como foi demonstrado no caso de níquel em amostras de petróleo [48].
Um dos novos e grandes atrativos da técnica é a análise multielementar seqüencial rápida. Dittert et. al. [49] determinaram direta e simultaneamente cromo e ferro em petróleo usando HR-CS AAS. Isso foi possível devido à proximidade da linha secundária de Fe (358,120 nm) à linha mais sensível de Cr (357,868 nm). Uma característica importante que possibilitou esta condição é a relação entre a sensibilidade das duas linhas analíticas e a proximidade da concentração obtida para os dois elementos investigados no petróleo. Além disso, ambos os analitos apresentaram semelhanças na volatilidade, de modo que não houve um compromisso maior em relação às temperaturas de pirólise e atomização. Portanto, a
técnica de HR-CS AAS permite até mesmo a análise direta de amostras complexas, sem maiores complicações [50].
Resano et. al. [51] desenvolveram um trabalho bem interessante no que diz respeito à amostragem de sólidos por HR-CS GF AAS. Esses autores determinaram chumbo em sangue seco em papel (cartelas utilizadas nos testes do pezinho realizados em bebê). Para a coleta do material o sangue é pipetado sobre o papel e depois de seco, com o auxilio de um furador, corta-se em discos de 3,2 mm de diâmetro contendo 1,5 mg do papel e 0,8 mg de sangue. Após, esse material é pesado diretamente na plataforma de grafite que é levada ao atomizador. Esse trabalho apresentou várias vantagens referentes à aplicação: a coleta sanguínea é realizada no local, é útil para amostragem em crianças, a mancha de sangue seco pode ser facilmente preservada e possibilita coleta de amostras em grandes áreas onde residem pessoas pobres.
2.1.2.5.4. Modificadores químicos
Um tema de interesse na análise por GF AAS é o uso de modificadores químicos, introduzidos por Ediger em 1975 [52]. Geralmente o modificador é um sal inorgânico, o qual é adicionado à amostra e às soluções analíticas, geralmente numa concentração muito maior do que a do elemento de interesse [53]. O modificador pode tornar o interferente mais volátil ou o elemento a ser determinado mais refratário, permitindo um aumento da temperatura de pirólise. Com isto pode-se minimizar o espalhamento de radiação e a formação de moléculas na etapa de atomização, quando a medida é efetuada [54].
Um bom modificador deve apresentar as seguintes características [12, 53]:
1. A temperatura de pirólise deve ser a maior possível. Quando são utilizadas temperaturas de pirólise > 1000 ºC, boas separações são obtidas;
2. O emprego das temperaturas de pirólise e atomização devem ser semelhantes para a maioria dos analitos investigados;
3. Ser de fácil obtenção e de alto grau de pureza para todos os analitos; 4. Não deve contribuir com os altos valores de absorção de fundo (BG) 5. Se possível, não deve diminuir a vida útil do atomizador;
6. Os limites de detecção não devem ser aumentados pelo uso do modificador;
7. No caso do uso de modificador permanente, esse deve permanecer no atomizador o maior tempo possível;
